CN204627847U - 垂直轴旋转叶片风轮发电设备 - Google Patents

Abstract

垂直轴旋转叶片风轮发电设备，属风力发电领域，由风轮与发电机组成。现有的垂直轴风轮都为固定叶片，本实用新型风轮的叶片可旋转，叶片有在受力区域宽面迎风，回叶区域窄面迎风的功能，使风轮轴两侧产生的力矩差达到最大，提高风能利用效率，增加发电量。小型垂直轴旋转叶片风轮发电设备，与电热水器组合，制成的风能热水器，用水作蓄能载体，无蓄电池，成本低，污染小。大型垂直轴旋转叶片风轮发电设备，其风轮的单个叶片面积100平方米以上，重数吨，每个旋转叶片下设置行走钢轮、环形钢轨和环形混凝土基础，风轮的重量被均匀分散到基础上。风轮的结构稳定，抗风能力强。大叶片风轮输出强大功率，带动大型发电机发电。

Description

垂直轴旋转叶片风轮发电设备

技术领域

风力发电领域。

背景技术

风轮是风力发电机组中的一个部件，风吹过风轮时，推动风轮旋转，风轮轴带动发电机转子旋转发电。行业内以风轮轴安装状态进行划分，分成水平轴风轮发电机组和垂直轴风轮发电机组。本发明是对垂直轴风轮发电机组的风轮进行改进，提高风轮对风的利用效率，增加发电量。

目前的垂直轴风力发电机组的风轮，都采用固定叶片风轮，将风轮叶片截面做成飞机机翼或半圆弧等形状，风吹过风轮时，风轮轴两侧因叶片形状而产生的压力差旋转，产生动力带动发电机发电。

此类风轮，轴两侧的受力区域（叶片得到风推力的区域）与回叶区域（叶片返回区域），受风面积相同，仅靠叶片形状所产生压力差和升力旋转，风能利用效率较低。

实用新型内容

本发明对垂直轴风轮进行三项改进：

1、将固定叶片改成旋转叶片。风轮的叶片运行进入受力区域时，叶片旋转呈宽面迎风状态，叶片运行进入回叶区域时，叶片又旋转呈窄面（叶片厚度）迎风。这样风轮轴两侧，叶片的受风面积相差很大。根据风对叶片压力与受风面积成正比原理，风轮轴两侧就会产生较大的压力差与力矩差 ，从而提高风轮的旋转动力。叶片的宽度与厚度比能做到20倍以上，风轮轴两侧的力矩差也是在20倍左右，风能的利用率得到明显到提高，在微风中更容易启动。.

 2、在叶片与风轮垂直轴之间设置一根挡杆，挡杆对叶片起限位作用。叶片进入受力区域后，在挡杆的约束作用下，叶片会始终保持宽面迎风状态。叶片进入回叶区域接触不到档杆。在风力作用下，叶片自转调整到窄面（厚度）迎风状态。.

3、大型风力发电机组的风轮，体积大，重量也重，在叶片下设置行走钢轮、环形钢轨和环形混凝土基础，风轮的重量经过行走钢轮、环形钢轨分散传到环形混凝土基础上。环形基础的位置处于风轮的外圈，使风轮具有很好的稳定性。因此风轮叶片面积能做得很大，受风面积大，推力也大，风轮就能输出更多动力来发电。

 .   我做了一个直径210毫米6叶片模型风轮，叶片宽77毫米，厚度9毫米，高115毫米，

在自然风下做吹风试验，微风下风轮快速旋转，转速约每分钟30转（无负荷）。.

.    此风轮能正反方向旋转，如在风轮每个旋转叶片处，加装小型半圆弧固定叶片作导向，给风轮一个启动力，风轮就能固定地朝一个方向运转。试验证明垂直轴旋转叶片风轮，能灵活可靠运行。

技术方案  大型风力发电机：

环境条件：风力资源极丰富的沿海、空旷草原的风力电场。.

.    实施方式：大型旋转叶片风轮，直径24m，高18m，钢结构非标准加工件。由底座（1），六角型钢框架（2）、六个旋转叶片（3）、六根挡杆（4）组成。风轮的六个旋转叶片， 每片宽8米，高12.5米，厚0.3米，面积约100平方米，镀锌型钢做骨架，外包3毫米合金铝板。每个叶片位置下方设有行走钢轮，钢轮在环形钢轨和环形混凝土基础行走。六角型钢框架（2）中心轴下端与发电机同轴连接。电脑控制系统等设备都安装风轮下的地下室内。除风轮外，其余配套设备与其他电厂设备相似。.

.      风轮轴心设一个定位机构，用三组圆心定位靠轮与三组高度定位靠轮，对其进行定位，以减少风轮转动时的摆动。风轮轴与变速器轴之间，用弹簧联轴器连接，用弹簧来吸收风轮轴的抖动。风轮主体在工厂加工成半成品，到现场螺栓连接安装。.

.     风轮运行：在5级清风下，风速（8～10.7米/秒）时，每平米风压（40～76.1N/m2），平均风压55N/m2 (5.5kg/m2) ，单组（左右各一片）叶片上能产生（8m－0.3m）×12.5m×5.5kg/m2=529kg风压差，产生10m×529kg=5290kgm力矩差（风轮轴到叶片形心距离10米），推动发电机发电（因只有一组叶片会处在最佳位置上，所以只用一组叶片产生的力计算）。.

.      风力发电机组用电脑智能控制。以风力、风轮转速，发电机绕组三因素进行编程，可在不同的风速配以不同的发电机绕组，充分利用风能。遇到9级以上狂风，风速达到25m/s，发电机温度120度时。电脑启动挡杆（4）的伺服电机，将挡杆移到叶片以外，停止发电，保护设备。.

.    目前大型风力发电厂，大都用水平轴风轮发电机发电，其投资大，制造精度要求高，安装、维修费用高。

.    大型垂直轴旋转叶片风轮发电设备，与水平轴风轮相比投资相对较少，风轮设备工厂制造后拆分成小件，发运到现场拼接安装，用50吨吊车就能完成安装，维修方便。

附图说明：

图1是机翼型固定叶片风轮受力原理立面图。

图2是机翼型固定叶片风轮受力原理平面图。

图3是半圆弧固定叶片风轮受力原理立面图。

图4是半圆弧固定叶片风轮受力原理平面图。

图5是本发明旋转叶片风轮受力原理立面图。

图6是本发明旋转叶片风轮受力原理平面图。

图7是本发明的旋转叶片立面图。

图8是本发明的旋转叶片平面图。

图9是本发明六叶片风轮，A叶片进入受力区域5度时平面图

图10是本发明六叶片风轮，A叶片在受力区域175度时平面图

图11是本发明的小型六叶片风轮立面图

图12是本发明的小型六叶片风轮平面图

图13是本发明的垂直轴旋转叶片风轮热水器原理图

图14是本发明的大型风轮立面图。

图15是本发明的大型风轮平面图。

垂直轴旋转叶片风轮结构及工作原理：

1. 旋转叶片：风轮旋转叶片的外形为流线形平板，迎风端是圆弧形，叶尾锥形，每个叶片有一个自转轴，叶片能沿自转轴做360度旋转，叶片头到自转轴的距离，约为叶片宽度的四分之一。因自转轴两侧叶片的不对称，风吹过时，在叶片上产生阻力较大的一端会顺风转动，带动叶片沿轴旋转（原理如风向标），调整到叶片厚度（窄面）迎风状态。所以该叶片在无约束情况下会自动呈现窄面迎风状态。.

2. 挡杆：挡杆是安装在风轮中心轴与叶片之间，上下横梁中的连杆，对叶片起限位作用，能使叶片在受力区域时始终保持宽面迎风状态。原理如下：

.     叶片A运行到5度位置时（设时钟12点为0度），进入受力区域，在挡杆限位作用下，叶片开始宽面迎风，推动风轮顺时针旋转，一直维持到叶片转出受力区域。

.     叶片A运转到约175度，即将离开受力区域，在风力推动下，叶片沿自转轴旋转，形成窄面迎风状态。进入回叶区域后，挡杆接触不到叶片，叶片能始终保持窄面迎风状态。.

结论：风轮在受力区域的叶片，在挡杆约束下保持宽面迎风状态，在回叶区域，叶片接触不到档杆，在风力作用下，自动调整到叶片窄面迎风位置（风向标原理）。.

此项发明用途：垂直轴旋转叶片式风轮可与小型、中型、大型风力发电机组配套使用。

1、小型风力发电机组用途：在城市建筑楼顶安装一个，直径2～3米的垂直轴、旋转叶片风轮，配一台发电机，一个低电压热水器，控制器和电缆。风推动风轮，风轮带动发电机发电，电加热热水器中水，给用户提供热水。.

2、中型风力发电机组用途：农村、牧区、边防哨所等缺电地区，常有风力发电设备在运行，只要将风轮改装一下，就能提高风力发电量。目前不少农村因为风力发电效率低，风力发电难普及，此风轮使发电量增加，有利于推动中型风力发电的普及和发展。

3、大型风力发电机组用途：目前大型风力发电厂，大都用水平轴风轮发电机发电，其投资大，安装、维修费用高。本发明的大型垂直轴旋转叶片风轮，其行走钢轮、环形钢轨、环形混凝土基础，能将重量均匀传到地下，结构稳定，促成了风轮的大型化。其加工精度要求相对较低，投资小，安装、维修方便的优点，有可能成为大型风力发电的替补产品。当单个叶片面积100平方米以上，重达数吨的旋转叶片，像船帆一样沿环形钢轨上行走，推动发电机发电会很给力。给大型风电厂多了一种风轮设备的选择。

具体实施方式：

1、风能热水器

环境条件：风力资源丰富的地区，年平均风速在3m/s以上，全年有3～20m/s风速累计时间3000小时以上。安装建筑屋顶或空旷地上。.

       设备配置：2.4米直径垂直轴旋转叶片风轮一个；1000W 48V发电机一台；220V 1000W保温电热水器一台（外购成品）；电缆线若干米。.

       实施方式：在建筑楼顶安装一个直径2.4m， 6个旋转叶片的风轮。风轮由带轴承孔的底座（1），六角型钢框架（2），六个旋转叶片（3），六根挡杆（4）组成。叶片宽0.8m，高1.5m，厚3cm，单个叶片面积1.2平方米，用铝合金制成。发电机安装在风轮下，与风轮同轴，用弹性联轴器与风轮同轴相接。电热水器设1000W  48V和1000W220V两根加热管，安装在用户卫生间里。电热水器220V加热管与市电相接，48V电热管与发电机连接，并接好进、出水管。.

.     实施运行：风力推动风轮旋转，带动发电机发电，经电缆对卫生间热水器48V电热管加热，热水器出热水。遇到小风天气发电量少水温不够时，可用220V市电对电热管加温补充。.

.     同类热水器产品对比：热管式太阳能热水器玻璃授热管加工工艺复杂，易碎，易漏。要安装进出水两根管道，热水管沿途热量损耗较大需要保温，因此热水器必须与用户靠得近，应用范围受限止。冬天阳光减弱，受季节影响较大。.

.     风轮热水器，发电机与电热水器之间只安装一根电缆，安装方便，电流输送能量损耗小，可长距离输送，冬天风势不减，因此受季节影响小。风力发出的电能用来加热冷水，用水作蓄能载体，不用铅蓄电池，无污染。.

Claims (2)

1.垂直轴旋转叶片风轮发电设备，由风轮与发电机组成，现有风轮的都是固定叶片风轮；本发明的风轮由底座（1），六角型框架（2），六个旋转叶片（3），六根挡杆（4）四部分组成；其特征在于：六个旋转叶片（3）的自转轴，分别安装在六角型钢框架（2）六个顶角处的上下梁之间，叶片可沿自转轴作360度旋转；六根挡杆（4）分别安装在六角型钢框架（2）的中心轴与旋转叶片（3）之间，固定于六角型钢框架（2）上下梁上，对叶片起约束作用，六角型钢框架（2）的中心轴，插入底座（1）轴承孔内，框架可在轴承孔中旋转，框架轴与发电机同轴连接；风轮的单个旋转叶片（3）面积在100平方米以上，重量经六个行走钢轮，均匀地传到环形钢轨和环形混凝土基础上。

2.根据权利要求1所述垂直轴旋转叶片风轮发电设备，其特征在于将风轮小型化，风力推动风轮旋转，带动发电机发电，输出的电能经电缆对电热水器加温，制成风力热水器。